Предлагаемая конструкция может удвоить эффективность легких солнечных элементов для применения в космосе

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 7 июня 2023 г., 21:39:44 MSK
  • 0 комментариев
  • 33 просмотра
Когда дело доходит до обеспечения энергией космических исследований и населенных пунктов, общедоступные солнечные элементы, изготовленные из кремния или арсенида галлия, все еще слишком тяжелы, чтобы их можно было транспортировать ракетой. Для решения этой проблемы изучается широкий спектр легких альтернатив, включая солнечные элементы, изготовленные из тонкого слоя селенида молибдена, которые относятся к более широкой категории 2D-дихалькогенидных солнечных элементов из переходных металлов (2D TMDC). Исследователи предлагают конструкцию устройства, которая может повысить эффективность 2D-устройств TMDC с 5%, как уже было продемонстрировано, до 12%.

Когда дело доходит до обеспечения энергией космических исследований и населенных пунктов, общедоступные солнечные элементы, изготовленные из кремния или арсенида галлия, все еще слишком тяжелы, чтобы их можно было транспортировать ракетой. Для решения этой проблемы изучается широкий спектр легких альтернатив, включая солнечные элементы, изготовленные из тонкого слоя селенида молибдена, которые относятся к более широкой категории 2D-дихалькогенидных солнечных элементов из переходных металлов (2D TMDC). Публикация от 6 июня в первом номере журнала Устройство Исследователи предлагают конструкцию устройства, которая может повысить эффективность 2D-устройств TMDC с 5%, как уже было продемонстрировано, до 12%.

"Я думаю, люди постепенно приходят к осознанию того, что 2D TMDC являются отличными фотоэлектрическими материалами, хотя и не для наземных применений, а для мобильных - более гибких, таких как космические приложения", - говорит ведущий автор и Устройство член консультативного совета Дип Джаривала из Пенсильванского университета. "Вес 2D солнечных элементов TMDC в 100 раз меньше, чем солнечных элементов на основе кремния или арсенида галлия, поэтому внезапно эти элементы стали очень привлекательной технологией".

Хотя двухмерные солнечные элементы TMDC не так эффективны, как кремниевые солнечные элементы, они производят больше электроэнергии на единицу веса, свойство, известное как "удельная мощность". Это связано с тем, что слой толщиной всего 3-5 нанометров - или более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса - поглощает количество солнечного света, сравнимое с количеством имеющихся в продаже солнечных элементов. Их чрезвычайная тонкость - это то, за что их называют "2D" - они считаются "плоскими", потому что их толщина составляет всего несколько атомов.

"Высокая удельная мощность на самом деле является одной из величайших целей любой космической технологии сбора света или энергии", - говорит Джаривала. "Это важно не только для спутников или космических станций, но и для тех, кто хочет использовать солнечную энергию реального масштаба в космосе".

"Количество солнечных элементов, которые вам пришлось бы доставить, настолько велико, что ни один космический аппарат в настоящее время не может доставить туда такие материалы экономически выгодным способом. Итак, на самом деле решение заключается в том, что вы удваиваете использование элементов меньшего веса, которые дают вам гораздо большую удельную мощность ".

Весь потенциал 2D-солнечных элементов TMDC еще не был полностью реализован, поэтому Яривала и его команда стремились еще больше повысить эффективность элементов. Как правило, производительность солнечных элементов такого типа оптимизируется путем изготовления серии тестовых устройств, но команда Джаривалы считает, что важно сделать это путем компьютерного моделирования.

Кроме того, команда считает, что для того, чтобы по-настоящему раздвинуть границы эффективности, важно должным образом учесть одну из определяющих - и сложных для моделирования - особенностей устройства: экситоны.

Экситоны образуются, когда солнечный элемент поглощает солнечный свет, и их доминирующее присутствие является причиной того, что двухмерный солнечный элемент TMDC обладает таким высоким поглощением солнечного света. Электричество вырабатывается солнечным элементом, когда положительно и отрицательно заряженные компоненты экситона направляются к отдельным электродам.

Смоделировав солнечные элементы таким образом, команда смогла разработать конструкцию с удвоенной эффективностью по сравнению с тем, что уже было продемонстрировано экспериментально.

"Уникальной особенностью этого устройства является его сверхрешеточная структура, которая, по сути, означает наличие чередующихся слоев двумерного TMDC, разделенных разделителем или непроводниковым слоем", - говорит Джаривала. "Расстояние между слоями позволяет многократно отражать свет внутри клеточной структуры, даже если клеточная структура чрезвычайно тонкая".

"Мы не ожидали, что ячейки, которые настолько тонкие, будут иметь значение 12%. Учитывая, что текущая эффективность составляет менее 5%, я надеюсь, что в ближайшие 4-5 лет люди действительно смогут продемонстрировать ячейки с эффективностью 10% и выше".

Джаривала говорит, что следующий шаг - подумать о том, как добиться крупномасштабного производства пластин по предлагаемому дизайну. "Прямо сейчас мы собираем эти сверхрешетки, накладывая отдельные материалы один на другой, как листы бумаги. Это как если бы вы вырывали их из одной книги, а затем склеивали вместе, как стопку стикеров", - говорит Джаривала. "Нам нужен способ выращивать эти материалы непосредственно один поверх другого".

Комментарии

0 комментариев